Существует широкий спектр инструменты MathWorks, который предназначен для проектирования систем беспроводной связи по методу модельно-ориентированного проектирования (МОП). Здесь мы опишим основные этапы проектирования и тестирвоаня систем связи, котоые применяются компанием Экспонента.

Если посмотреть на схему, можно увидеть, что она разделена по вертикали на два основных этапа разработки:

  • построение модели и симуляция;
  • тестирование на аппаратуре.


Сначала рассмотрим построение модели и симуляцию. Основная идея модельно-ориентированного проектирования, это то, что процесс разработки начинается с модели. Обычно, разработка начинается с того, что вы с коллегами садитесь за стол и рисуете блок диаграмму нового алгоритма на бумаге. В рамках МОП, вы делаете тоже самое, но в Simulink, в таком случае, ваша диаграмма становиться исполняемой сразу. Эта модель может быть не очень детальной, но она тут же позволяет понять, насколько содержащийся в ней алгоритм реализуем.

При применении МОП в проектировании беспроводных систем связи, мы разделяем три основные этапа построения полной модели системы связи, это этапы создания:

  • модели физического уровня;
  • модели канального урованя;
  • модели РЧ такта и антенной системы.


Создание модели, как правило, начинается с построение цифрового алгоритма физического уровня системы связи. Процессы отладки и уточнения модели происходят одновременно, так как, после любого изменения в модели, вы можете запустить симуляцию или набор тестовых симуляций, и увидеть, как это изменение повлияло на работу модели. 

Добавление модели канального уровня особенно важно при проектировании систем с временным разделением каналов или если в системе присутствует, скажем, эквалайзер. В таком случае, отлаженное взаимодействие процедур канального уровня и потока данных на физическом уровне может заметно облегчить жизнь на этапе реализации системы в аппаратуре.

Создание модели РЧ тракта и антенной системы позволяет оценить влияние аналоговой части, которое до этого не бралось в расчёт, на характеристики системы связи. Также, это позволяет выявить нестыковки цифрового алгоритма и аналоговой части на раннем этапе в модели, а не ломать голову сидя на плохо работающим прототипом.

Нету жесткого правили, что проектирование должно идти по этим этапам. Вы можете ограничиться одним или двумя этапами, при это не важно какими. Можно создать только модель РЧ тракта, если всё остальное у вас уже есть, или если вам нужно понять поведение вашего тестового сигнала с каким то конкретным усилителем или смесителем.

По опыту компании Экспонента, каждый из этих этапов, в зависимости от сложности алгоритмов, занимает от двух недель до месяца. Таким образом, примерно через два - три месяца после начала работы над моделью, вы можете получить полностью протестированную и готовую к реализации на аппаратуре модель системы связи.


Теперь рассмотрим этапы построения модели поподробнее.

Этап 1. Моделирование физического уровня

Модель физического уровня как правило состоит из алгоритма формирования сигнала, модели канала связи и алгоритма приёма и обработки сигнала. Стоит отметить, что все эти алгоритмы в современных системам связи реализуются в цифровом виде, на так называемой нулевой частоте (baseband). На этапе проектирования физического уровня, в качестве источника данных обычно используется генератор случайных бит, а наблюдения за точностью работы модели осуществляется с помощью подсчета количество ошибочных бит в сигнале, который прошел через модель.

В процессе проектирования алгоритма формирования и приёма сигналов, а также при моделирования каналов связи,часто применяются:

  • блочные, свёрточные или LDPC кодеки;
  • перемежители и повторители;
  • инторпалирующие и децимирующие фильтры;
  • модуляторы и демодуляторы;
  • различные генераторы сигналов и последовательностей;
  • эквалайзеры;
  • модели каналов связи, такие как AWGN, Релеевский канал, Райсовский канала.


Все перечисленные алгоритмы содержатся в инструменте Communications Toolbox и DSP System Toolbox. Это основные инструменты для проектирования физического уровня беспроводных систем связи.

Для проектирования систем в соответствии со распространёнными стандартами WLAN, LTE и 5G, существуют специально разработанные для этих стандартом WLAN Toolbox, LTE Toolbox и 5G Toolbox.

Этап 2. Моделирование канального уровня

После первого наброска модели физического уровня, когда работоспособность концепции в целом подтверждена, желательно пристроить к модели физического уровня подуровень управления доступа к среде (Media Access Control, MAC-sublayer). Этот подуровень входит в состав канального уровня (Data Link Control, DLC Layer).

На этом уровне происходит формирование фреймов и добавлени служебных полей, которые могут быть использованы на физическом уровне, например в эквалайзере. Поэтому, особенности протокола канального уровня могут повлиять на работу физического уровня.

В основном, MAC подуровень представляет из себя набор процедур, таких как: синхронизация по фреймам, предоставления доступа к среде, проверка контрольных сумм и многие другие. Удобным способом проектирования таких процедур является метод конечных автоматов, инструмент под названием Stateflow, позволяет строить конечные автоматы в виде наглядных диаграмм переходов, также, этот инструмент работает в среде Simulink, что позволяет с легкостью соединять физический и канальный уровни.

Этап 3. Моделирование РЧ тракта и антенной системы

Ключевой особенностью моделирования РЧ тракта является то, что в рамках модельно-ориентированного проектирования мы не пытаемся спроектировать РЧ тракт в среде MATLAB/Simulink, мы лишь моделируем искажения, которые вносит РЧ тракт в сигнал. Это позволяет уточнить алгоритмы цифровой обработки сигналов на нулевой частоте. При проектировании таких алгоритмов как, цифрове предыскажения сигнала или электронное управление диаграммой направленности ФАР, исключительно необходимо моделировать цифровой алгоритм и аналоговую часть в одной модели. Именно для этого и были разработаны инструменты RF Toolbox и RF Blockset, с помощью этих инструментов можно моделировать:

  • аналоговые фильтры;
  • МШУ;
  • смесители;
  • фазоврощатели, итд.


При моделировании РЧ тракта создаётся отдельная область внутри Simulink модели, которая использует свой собственный, непрерывный решатель, что позволяет проводить одновременную симуляцию как цифрового алгоритма, так и аналоговой части в одной модели.

Моделирование антенной системы является логическим продолжением модели РЧ тракта. На этом этапе инструменты MathWorks позволяют промоделировать весь тракт целиком, включая радиолинию. Для этого есть два инструмента, Antenna Toolbox и  Phased Array System Toolbox, с помощью этих инструментов вы можете создать модель антенны или антенной решётки, можно использовать стандартные решения, или создать свою собственную геометрию антенны.

Ключевой особенностью является то, что созданную модель антенны можно подсоединить к общей системной модели. Это позволяет промоделировать распространения сигнала между приёмником и передатчиком при различных параметрах диаграммы направленности и различных углах их взаимного расположения.

Этап 4. Тестирование на аппаратуре

Отладка и тестирование разработанных алгоритмов на аппаратуре всегда сопряжены с необходимостью глубоко погружаться в нюансы работы отладочный плат или особенности настроек программно-определяемого радио (SDR). Инструменты MathWorks в области тестирования и прототипирования разработаны таким образом, что инженеры работающие над системами ЦОС или связи могут протестировать свои системы на прототипе не будучи экспертами в области аппаратных платформ.

При разработке систем связи по принципу МОП существует ряд этапов тестирования алгоритмов на аппаратуре (смотри рисунок).



Этап 4.1. схема Модель-Эфир

Первый этап, можно сказать самый простой, применяется для того, чтобы в первом приближении убедиться, что алгоритмы работают правильно. Для того, чтобы провести такое тестирование, вам необходимо иметь любой SDR, который поддерживается MathWorks (ссылка).

Суть тестирования заключается в том, что вместо модели канала, вы соединяете ваш алгоритм с реальным каналом, то есть подключаете к SDR. Это делается через специальные блоки в Simulink которые позволяют настраивать SDR под ваши нужды. Таким образом, все вычисления остаются в модели под полным контролем, а сигнал от приемника к передатчику проходит через SDR и реальный эфир.


Этап 4.2.FPGA-in-the-Loop

После первого этапа, где вы убедились, что алгоритмы работают корректно, необходимо убедится, что эти алгоритмы возможно реализовать на целевой платформе, вычислителе. Так как современные цифровые системы связи требует очень высокую частоту обработки сигнала, как правило, вычислителем для таких систем является ПЛИС. Режим FPGA-in-the-Loop позволяет в автоматическом режиме проверить работу алгоритма на ПЛИС, для это вам необходимо иметь отладочную плату с ПЛИС которая поддерживается этим режимом (ссылка).

При работе FPGA-in-the-Loop из вашего алгоритм автоматически генерируется HDL код, автоматически создается специальный проект в IDE производителя ПЛИС (Vivado или Quartus), создаётся IP ядро и прошивается ПЛИС. Далее, автоматически создается специальная тестовая модель Simulink, где параллель запускается алгоритм в Simulink и этот же алгоритм, но уже на ПЛИС и сравниваются входные и выходные сигналы. Таким образом вы можете убедится, что ваш алгоритм правильно работает на целевой платформе не целевой частоте.

 

Этап 4.3.Прототипирование физического уровня

В предыдущих двух этапах, вы по отдельности убедились, что ваш алгоритм правильно реагирует на релейный канал связи, и что алгоритм корректно работает на реальном вычислители. Теперь необходимо протестировать всё это вместе и одновременно. Для это можно использовать ряд SDR которые содержат как радио приемопередатчик, так и ПЛИС или систему на кристалле (System-on-Chip, SoC). Компания MathWorks поддерживает несколько таких SDR (ссылки).

Принцип такого тестирования заключается в том, что из подсистемы физического уровня автоматически генерируется HDL код, также как и в FPGA-in-the-Loop, автоматически создается проект проект в IDE производителя ПЛИС, но на этот раз этот проект содержит все необходимые интерфейсы для передачи сигнала из ПЛИС на приёмопередатчик. То есть, вам не нужно тратить время на настройку и отладку такого проекта вручную, вам необходимо аккуратно пройти по шагам инструмента под названием HDL Workflow Advisor и ваша модель станет гибридной. То есть, условный MAC подуровень или просто алгоритм подсчёта битвой ошибки останется в модели Simulink, битовый поток будет попадать на ПЛИС и в эфир через приемопередатчик, также, в обратную сторону сигнал через приемопередатчик попадает на ПЛИС, и после обработки, битовый поток приходит в модель, где его можно оценить на предмет ошибок.



Этап 4.4. Полный прототип


Финальным этапом тестирования на аппаратуре является создание полного прототипа. Для этого вам понадобится SDR с SoC на бору (ссылки). По сути, это продолжение этап прототипирования физического уровня, с переносом MAC подуровня из модели в ARM процессор. То есть, после успешного проведения третьего этапа тестирования, вы из подсистемы MAC подуровня автоматически генерируете С код по целевую платформу, в данном случае ARM процессор, автоматически создается проект в IDE производителя (Xilinx SDK), код компилируется и создаётся исполняемый файл. После этого, вы получаете полный прототип вашей системы, который работает автономно от MATLAB или Simulink. 

*
Настоящим в соответствии с Федеральным законом № 152-ФЗ «О персональных данных» от 27.07.2006, отправляя данную форму, вы подтверждаете свое согласие на обработку персональных данных . Мы, ООО ЦИТМ "Экспонента" и аффилированные к нему лица, гарантируем конфиденциальность получаемой нами информации. Обработка персональных данных осуществляется в целях эффективного исполнения заказов, договоров и пр. в соответствии с «Политикой конфиденциальности персональных данных». * - обязательные поля